结冷胶

微生物胞外多糖

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结冷胶是什么

结冷胶

结冷胶(Gellan Gum),又称凯可胶、洁冷胶,于1978年美国首先发现,由伊乐假单胞菌(Pseudomonas elodea)对碳水化合物进行纯种培养发酵后,经过发酵、调pH、澄清、沉淀、压榨、干燥、碾磨制成。结冷胶呈类白色粉末,无特殊的滋味和气味,在150℃时直接分解,具有良好的稳定性,耐酸、耐高温、热可逆性,还能抵抗微生物及酶的作用等特性。

结冷胶具有双螺旋结构,结冷胶的单糖分子组成是葡萄糖、鼠李糖和葡萄糖醒酸,分子组成大约为2: 1: 1 。结冷胶产品有两种存在形式,一种是高酰基结冷胶(也称天然结冷胶),另一种是低酰基结冷胶(也称脱酰基结冷胶)。 结冷胶是一种微生物胞外多糖,常作为多功能增稠剂、凝胶剂、稳定剂等,广泛应用于食品、药品(如软、硬胶囊)、化妆品、化工等诸多行业。

结冷胶基本参数

中文名称结冷胶中文别名凯可胶、洁冷胶
英文名称Gellan Gum外观类白色粉末
气味无特殊气味原料微生物发酵而来的多聚糖
相对分子质量100万左右CAS71010-52-1
CNS号20.027质量规格标准GB 25535—2010食品安全国家标准 食品添加剂结冷胶

结冷胶来源

结冷胶的产生菌原来称为伊乐藻假单胞杆菌(Pseudomonas elodea),后来基于r- RNA特征及含有鞘氨醇糖脂被进一步确认为一种革兰氏阴性好氧杆状菌少动鞘氨醇单胞菌(Sphingomona s paucimobilis)所产生的胞外多糖,经过发酵、调pH、澄清、沉淀、压榨、干燥、碾磨制成。

结冷胶性状

结冷胶呈类白色粉末,无特殊的滋味和气味。

结冷胶性质

结冷胶在150℃时直接分解,具有良好的稳定性,耐酸、耐高温、热可逆性,还能抵抗微生物及酶的作用等特性。

结冷胶结构

结冷胶分子的基本结构是一条主链,由一分子葡萄糖醛酸、一分子鼠李糖和两分子葡萄糖组成的基本单元重复聚合组成。

低酰基结冷胶结构图 高酰基结冷胶结构图

结冷胶相对分子质量

4×105~6×105(按2007年国际相对原子质量)。

结冷胶质量标准(技术指标)

a、感官要求:应符合表1的规定。

b、理化指标:应符合表2的规定。

c、微生物指标:应符合表3的规定。

表1感官要求

项目 要求 检验方法
色泽 类白色 取适量样品置于清洁、干燥的白瓷盘中,在自然光线 下,观察其色泽和组织状态。
组织状态 粉末

表2理化指标

项目 指标 检验方法
结冷胶,w/% 85.0~108.0 附录A中 A.3
干燥减量,w/% ≤ 15.0 GB 5009.3-2010直接干燥法a
铅(Pb)/(mg/kg)≤ 2 GB 5009.12
异丙醇b/(mg/kg)≤ 750 附录B

a干燥温度和时间分别为105℃和2.5h。

b仅限于非乙醇加工的结冷胶产品。

表3微生物指标

项目 指标 检验方法
菌落总数/(CFU/g) ≤ 10000 GB 4789.2
大肠菌群/(MPN/100g)≤ 30 GB 4789.3
沙门氏菌 0/25g GB 4789.4
霉菌和酵母/(CFU/g)≤ 400 GB 4789.15

结冷胶特性

凝胶性

结冷胶在水中略加搅拌即可分散,加热后溶解成透明的溶液,冷却后可形成透明、坚实的凝胶,因而它是食品添加剂中新型的全透明凝胶剂。结冷胶溶于热的去离子水或螯合剂存在的低离子强度溶液中,水溶液呈中性,其凝胶效果理想。冷结胶的胶凝温度于为20~50℃之间,而融化温度则介于65~120℃,融化温度显著高于胶凝温度,故结冷胶具有明显的温度滞后性。

安全性

结冷胶作为微生物有氧发酵产生的生物合成胶,具有安全无毒、无特殊气味,无需规定ADI 等良好的特点,备受食品生物制药、日化用品、造纸等行业青睐。

热稳定性

冷结胶具有良好的热稳定性,结冷胶和琼脂分别在121℃下加热15min,经过六个周期,比较两者的凝胶强度,结冷胶的凝胶强度在50%左右,而琼脂只有26%。

耐酸碱性

结冷胶可用于食品加工制作,虽然大多数食品的pH值在4-8之间,但是结冷胶在3.5-8.0这个pH范围内稳定其凝胶强度不随PH变化而变化,与同等食品添加剂相比表现出稳定的凝胶特性。

复配性能好

结冷胶与非凝胶性水溶胶复配使用,如黄原胶、羧甲基纤维素钠(CMC)、刺槐豆胶、瓜尔豆胶等,赋予产品良好的口感,并对结冷胶产生的凝胶体无明显影响。虽然卡拉胶、琼脂等凝胶特性与结冷胶接近,但是结冷胶在风味释放透明度、使用量等方面明显优于前两者。

结冷胶的特性和功效表

特性 功效
在低浓度(0.05%-0.25%)时可形成优质凝胶 结冷胶是一种非常有效的胶凝剂
加热和低ph条件下非常稳定 加热杀菌对凝胶强度的影响很小,酸性凝胶的货架期相当长
与一价离子凝胶为热可逆,二价离子凝胶热不可逆 可分别制成热可逆和热不可逆的凝胶
与其他凝胶可顺利配伍,如淀粉、明胶、海藻酸钠、卡拉胶等 组织结构可从脆的到有弹性的任意调节
其它配料有良好的相容性 可适用于广泛的各种配方
在ph3.5-7.0之间均能形成凝胶 在酸性至中性配方中都能获得优质凝胶和预期的凝胶强度
不易导致酶解 为食品加工提供灵活性,在微生物培养基和植物组织培养中有优良特性
抗老化作用 对玉米等淀粉糊在贮藏过程中的老化及粘度升高有抑制作用

结冷胶生产

结冷胶是由假单胞杆菌在葡萄糖、玉米糖浆、磷酸盐、蛋白质、硝酸盐和微量元素组成的液体培养基中培养两天,得到一种天然的、高乙酰基结冷胶。这时得到的结冷胶在其葡萄糖基上结有半个乙酰基和半个甘油酸酯,由于乙酰基的存在会严重影响其凝胶特性,故需在所得的醪液中加入氢氧化钾使呈碱性,以脱去乙酰基和甘油基,已取得低乙酰基结冷胶。然后加热、过滤,用异丙醇醇析而得脱乙酰基的澄清结冷胶。

结冷胶提取

结冷胶生产是高黏性代谢产物的微生物发酵过程,胞外多糖围绕细胞以黏性聚合物形式形成网状结构。因此用简单方法难以将胞外多糖从细胞周围分离、即使在大量稀释后也难以分离出来。

提取多糖的一般方法是将发酵液稀释若干倍以降低其黏性,然后通过离心分离作用分离多糖,几次冲洗和离心分离步骤是必不可少的。

其他有效的提取胞外多糖的方法有:不加搅拌地滴加一定量的表面活性剂到发酵液中进行相分离,然后回收包含较纯多糖的上清液。

结冷胶成分解析

复合盐

纯的结冷胶是一种复合盐,不溶于冷水,但在搅拌下可直接分散于去离子水中,提高水中阳离子的浓度,如硬度中等的水(相当于含CaCO3,180mg/kg),有助于其在水中的分散。但Ca2+、Mg2+、Na+、K+等离子(如硬水)能阻止已分散的结冷胶加热水化,阳离子的浓度越高,则即使加热至沸也无法使之水化。

在已经分散的水中,加入少量整合剂(如柠檬酸钠、六偏磷酸钠),可使分散的结冷胶即使在硬度很高的水中也能水化,只要所加熬合剂的量与Ca2+等的含量适当,甚至可溶于冷水。热的均匀水化的胶溶液冷却后可直接成为凝胶,但需加入阳离子后方能凝结,并随着阳离子浓度的提高可使凝胶的硬度和模量提高到最大值,但浓度超过一定限度,又会使凝胶体的硬度和模量下降,而且一价阳离子与两价阳离子的最适浓度并不一样。

酸碱效果

绝大多数食品的pH介于4.0一8.0之间,结冷胶凝胶在这个PH范围内,其凝胶强度几乎不随pH变化而变化,而结冷胶应用于食品中时,可以不考虑pH的影响。美国一些专家研究指出:二价阳离子所形成的结冷胶凝胶。其强度在pH小于3.5或大于8.5时,凝胶强度迅速下降;一价阳离子所形成的凝胶,其强度在pH介于3.5—1L.5之间有微小的波动。但是,在相同胶浓度的条件下所形成的凝胶,二价阳离子的凝胶强度比一价阳离子的凝胶强度要大得多。

酶的作用

美国一些科技人员曾将各种酶(包括果胶酶、α—淀粉酶、β—淀粉酶、纤维素酶、褐藻酸酶、木瓜蛋白酶、脂肪酶等)添加于结冷胶溶液中,结果发现,任何一种酶对结冷胶溶液的粘度以及凝胶的强度均没有影响,由于具备这种性质,结冷胶可以替代琼脂作为微生物培养基的胶凝剂。

其他胶类

在复配时,刺槐豆胶、瓜尔胶、CMC、黄原胶等非凝胶性水溶胶,对结冷胶凝胶体的组织特性无明显影响。但如加入明胶、黄原胶与刺槐豆胶的混合物、淀粉等凝胶性水溶胶时,可使组织结构发生明显变化。

结冷胶产品分类

a、按结冷胶分子主链上酰基含量的不同

按照结冷胶分子主链上酰基含量的不同划分,可分为高酰基结冷胶(HA)和低酰基结冷胶(LA),酰基在很大程度上影响其胶凝特性,一般经微生物直接合成的结冷胶富含酰基(乙酰基和甘油基),成为高酰基结冷胶(也称天然结冷胶)。

高酰基结冷胶(HA)

经少动鞘脂单胞菌发酵后未经脱酰基处理所得的即为高酰基结冷胶。

低酰基结冷胶(LA)

将分子结构中的酰基全部或部分除掉可以得到低酰基结冷胶。

酰基基团对结冷胶的性质有非常显著的影响。高酰基结冷胶可以产生柔软、富有弹性和不具有脆性的凝胶, 而低酰基结冷胶可以产生坚实的,不具有弹性,但是很脆的凝胶。

高、低酰基结冷胶的性状特点


高酰基结冷胶(HA) 低酰基结冷胶(LA)
分子量 1~2@106道尔顿 2~3@105道尔顿
溶解性 热水中溶解 热水或冷水(加螯合剂)中溶解
凝结条件 冷却 阳离子,酸,可溶性固形物
凝胶温度 70~80℃ ( 158~176℉ ) 30~50℃ ( 86~122℉ )
热可逆性 热可逆 热稳定
对阳离子敏感性 不太敏感 很敏感,特别是二价阳离子

高酰基结冷胶提取方法

首先调节发酵液pH值至4~4.5,升温至90℃ ,维持10~30min,灭酶杀死菌体,然后加入2%~3%发酵液体积的电解质溶液,反应30min,最后加入异丙醇固液分离,固态进行真空干燥。

低酰基结冷胶提取方法

首先将结冷胶发酵液碱处理,然后通过粗滤和微滤,最后对得到的结冷胶进行压力氏喷雾干燥。

b、按产品用途

结冷胶按照产品用途的不同,可分成悬浮型结冷胶凝胶型结冷胶、日化型结冷胶、培养基型结冷胶。

悬浮型结冷胶

悬浮型结冷胶一种低酰基结冷胶,主要用在酸性或中性高透型悬浮饮料中、用来悬浮果肉,不溶固体颗粒,起稳定饮料体系作用,也可以单独使用形成坚实而富有脆性的凝胶或与其它胶体混用形成不同质构的产品,建议使用量0.012~0.03%。

凝胶型结冷胶

凝胶型结冷胶一种低酰基结冷胶,作为凝胶剂主要用在果冻、果酱、糖果等水基凝胶体系中,起到凝胶成型作用,建议使用量0.1~0.5%。

日化型结冷胶

日化型结冷胶一种低酰基结冷胶,主要用在空气清香剂、化妆品中,形成坚实而富有良好透性的凝胶质构或良好持水性的乳状液,建议使用量0.2~0.6%。

培养基型结冷胶

培养基结冷胶一种低酰基结冷胶,主要用在生物培养基中,形成坚实而富有良好透性的培养基,能够更清晰地观察生物生长情况,建议使用量0.2~0.8%。

结冷胶安全性评估

中国:1996年,我国批准结冷胶作为食品增稠剂、稳定剂,可在各类食品中按正常生产需要适量使用,目前实施标准为《GB 25535—2010 食品安全国家标准食品添加剂 结冷胶》。

欧洲:1994年,欧共体将结冷胶正式列入食用安全代码(E-418)表中。

日本:1988 年,日本成功地完成了结冷胶的毒理实验并准许结冷胶在食品中应用。

美国:1978年发现结冷胶,1992年就迅速得到美国FDA的许可应用于食品、饮料中,除美国外,还有十多个国家批准其用作食品添加剂。

结冷胶应用领域

由于结冷胶优越的凝胶性能,在食品、制药、化工等领域广泛的应用。中华人民共和国国家标准《食品添加剂使用标准》(GB 6783-2014)规定结冷胶可在各类食品中按生产需要适量使用。

食用结冷胶

在食品工业中,结冷胶可作为优良的凝胶剂,能赋予食品一种令人愉悦质地和口感。与卡拉胶、琼脂等凝胶性多糖相比,在酸稳定性、热可逆性、使用量等方面具有明显的优越性。

结冷胶的凝胶是一种脆性胶,对剪切力非常敏感,食用时有入口即化的感觉。结冷胶具有良好的风味释放性和在较宽pH范围内稳定的特性。它可用于改进食品组织结构、液体营养品的物理稳定性、食品烹调和贮藏中的持水能力。结冷胶与其他食品胶有良好的配伍性,以增进其稳定性或改变其组织结构。此外,它还可以改良淀粉,使其获得最佳的质构特征和稳定性。

结冷胶在食品中功能与用途

食品 功能 添加量(%)
糖霜、糖衣 黏着性
烘焙制品 控制水分含量 0. 3(糕点)
啤酒 泡沫稳定剂
蜜饯、糖果 涂膜性 0. 075(淀粉软糖)
果冻、馅料、甜食、果酱等 凝胶性 0. 2(生产低固形物果酱)
冷冻饮品、糖浆 防结晶
色拉调料 乳化性
粉状调味料 微胶囊
冰淇淋、色拉调料 稳定剂
人造肠衣 成膜剂 0.7(人造多香果块)
果酱、肉肠、馅料等 增稠剂
酒类 澄清剂

药用结冷胶

结冷胶安全无毒的特性是它在医药领域应用的前提,结冷胶作为一种生物材料用于医学组织工程,主要是作为细胞移植的载体。结冷胶用于眼用制剂中,不仅增加了滴眼液在眼内的滞留时间提高了生物利用度,而且形成的凝胶使药物很难流到鼻泪管中,减少了药物流入鼻腔所致的不良反应。

日用结冷胶

日用结冷胶具有凝胶能力强、高透明性、稳定性好、溶解性好、持水性好、与其它亲水胶体具有相容性并可以达到不同的质构特性要求等产品特征,广泛应用于日用品中,如牙膏、化妆品、清香剂等。结冷胶用于牙膏是一种比较好的增稠剂,对于提高牙膏产品质量,改善其性能是一种好的增稠原料。用结冷胶制作的牙膏对香精释放的性能好,可降低香精的用量。

结冷胶应用范围

食品方面:布丁、饮料、甜食、果酱、果冻、啫喱、合成食品、宠物食品、糖衣、糖霜、牛奶及烘焙制品等。

医药方面:眼药水、软硬胶囊、包衣剂、组织工程、伤口敷料。

微生物方面:替代琼脂制作培养基。

日化方面:化妆品、牙膏、香水、涂膜、胶黏剂、汽车香膏、空气清新剂、个人护理用品。

农业方面:叶肥、缓释肥料。

工业方面:人体组织材料、感光薄膜、包裹热敏感材料(例如酶与细胞、脱氧核糖核酸电泳与分离的可逆凝胶)以及用于胶片、胶卷、纤维。

结冷胶凝胶在食品上的典型应用

主要的食品领域 典型食品
糖果 淀粉果冻、果胶果冻、馅料、果浆软糖
果酱和果冻 低热量果酱、仿真果酱、焙烤食品馅料、果冻
人造食品 人造水果、人造蔬菜、人造肉
水基凝胶 甜点凝胶、肉片
水果馅料和布丁 方便甜点、罐装布丁、水果馅料、预煮布丁
饮料 各种果粒悬浮饮料、果汁悬浮饮料
乳品 凝胶乳品、低脂涂抹物
宠物食品 听装凝胶宠物食品

结冷胶质量规格标准

目前,结冷胶执行的质量规格标准为《GB 25535—2010食品食品安全国家标准 食品添加剂 结冷胶》,该标准定义结冷胶范围、分子结构、相对分子质量、技术要求(感官要求、理化指标、微生物指标)及检验方法等,由中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会2010年12月21发布,2011年2月21日开始实施。

结冷胶市场前景

结冷胶作为一种发酵法生产的微生物多糖,相对于海藻胶或动物胶、植物胶,不受气候和地理环境条件的限制,可以在人工控制条件下利用各种废渣、废液进行生产,品质更稳定,供应更有保证,同时再加上其安全无毒,理化性质独特等优良特性,在食品工业中有着广泛的应用前景。

结冷胶医药前景

结冷胶在组织工程、伤口修复、术后防粘连、药物或基因传递方面均有应用,然而尚处于初步研究阶段,还需要对其进行全面及长期的研究,以制备理想的产品,应用于临床。目前结冷胶的微生物发酵产量和纯化程度不高,成本较高,限制了其广泛的研究和应用。相信随着结冷胶的产量提高及在医药与美容领域研究的不断深入,结冷胶在医药领域将会有更广阔的应用。

结冷胶制约因素

虽然结冷胶生产取得了许多成果,但还存在一些问题,如产量低,用于通气搅拌的能源高;提纯用的有机溶剂耗量大,有机溶剂的回收较困难等。因而如果能利用基因工程手段将产胶基因转移到嫌气性微生物中正常表达,从而在无氧或微氧条件下生产则可降低成本。总之,通过基因工程手段筛选优质多糖产生菌,并利用现代生物技术构建具有多种优异性能的基因工程菌与细胞工程菌来提高结冷胶产率与质量,将是未来结冷胶生产与研究的发展方向。

结冷胶运输储藏

结冷胶产品运输必须轻卸轻放,防止日晒、雨淋,并远离热源不得与有害、有毒和易污染物品一起混运,产品需密封,置于干燥环境中。

参考资料
1.食品增稠剂第二版[2009]
2.功能性食品胶第二版[2014]
3.侯振建.食品添加剂及其应用技术:化学工业出版社[2004]
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